委托权益证明共识机制的改进方案

黄嘉成 许新华 王世纯

摘 要：针对委托权益证明（DPoS）共识机制由于投票不积极和选举周期过长造成的恶意节点剔除不及时的问题，提出了一种基于熔断机制、信用机制和备用见证人节点的DPoS共识机制改进方案。首先，引入熔断机制，提供了反对票功能，加快踢出作恶节点;其次，引入信用机制，为节点设置信用分数和信用等级，通过监测节点行为来动态调整节点信用分数和等级，加大作恶节点获得票数的难度;最后，加入备用见证人节点列表，及时填补因为节点作恶被撤销见证权后出现的空缺。搭建了基于本改进方案的测试区块链系统，通过实验验证改进方案的可用性和有效性。实验结果表明，采用改进后的DPoS共识机制的区块链可及时剔除作恶节点，适用于大多数场景的应用。

关键词：区块链;共识机制;委托权益证明;熔断机制;信用机制;备用见证人节点

Abstract： To solve the problem that Delegated Proof of Stake （DPoS） consensus mechanism has malicious nodes not eliminated in time due to inactive voting and long voting cycle， an improved scheme of DPoS consensus mechanism based on fusing mechanism， credit mechanism and standby witness node was proposed. Firstly， fusing mechanism was introduced to provide the function of negative vote to quicken kicking out evil nodes. Secondly， credit mechanism was introduced to set credit scores and credit grades for nodes， the credit scores and grades of nodes were dynamically adjusted by monitoring the behavior of nodes， therefore the difficulty of obtaining votes for evil nodes was increased. Finally， standby witness node list was added to fill in the vacancy in time after witness right of evil node being cancelled. A test blockchain system based on the improved scheme was built， and the availability and effectiveness of the improved scheme were verified by experiments. The experimental results show that the blockchain based on the improved DPoS consensus mechanism can eliminate the evil nodes in time and is suitable for most scenarios.

Key words： blockchain; consensus mechanism; Delegated Proof of Stake （DPoS）; fusing mechanism; credit mechanism; standby witness node

0 引言

区块链技术源于中本聪的白皮书《比特币：一种点对点式的电子现金系统》[1]。比特币作为区块链技术的首个应用，从2009年1月3日创世区块的诞生运行至今，成功地证明了去中心化、免信任体系的可实现性。2014年起比特币的价格逐年上升，在金融领域引起轩然大波[2]。除了金融领域之外，近年来区块链技术在多个领域引起重视，例如：Mettler[3]研究了区块链技术在数字医疗上的运用;Sikorski等[4]研究了区块技术链对工业生产中机器对机器（Machine-to-Machine， M2M）的促进作用;Kim等[5]研究了区块链在供应链上的应用价值;在教育领域中，许涛[6]分析了区块链应用于教育的技术挑战，Sharples等[7]将区块链技术应用于一种分布式教育信息记录系统，Sony公司也于2016年公布了正在研发一种使用区块链技术，实现公开、安全的教育信息系统[8]。

区块链技术是一种去中心化的分布式账本技术[9]。共识机制作为区块链的核心技术，可用于解决拜占庭将军问题带来的分布式环境下节点的一致性问题[10]。共识机制的优劣直接影响基于区块链的系統的安全和性能。随着各领域对区块链技术应用的需求，共识机制相关算法的研究就显得尤为重要。

1 相关研究

目前主流的共识机制有工作量证明（Proof of Work， PoW）、权益证明（Proof of Stake， PoS）、委托权益证明（Delegated Proof of Stake， DPoS）等。其中PoW是比特币采用的共识机制[11]，各节点利用机器进行Hash运算出符合条件的值，即区块头的Hash值小于等于目标难度[12]，来争夺区块记账权，算法简单，能够在完全开放的网络环境下保持数据的一致性;但是大量的算力浪费和长达10min的达成数据一致性的时间消耗一直深受诟病，并且矿池算力的扩张也使得基于PoW的区块链网络遭受51%攻击成为可能[13]。PoS由点点币（PeerCoin）的创始人King等[14]提出，引入了币龄的概念，每个节点根据所占代币的比例和时间，等比例地降低Hash运算的难度;虽然在一定程度上减少了挖矿时间，但本质上还是需要挖矿，依然会造成算力浪费，而且币龄累积的机制可能导致富人更富的局面[15]。

DPoS由比特股（Bitshares）的首席开发者Larimer[16]提出，采用了类似于董事会投票的机制，每个节点都可以参与到投票选举和被选举为见证人（witness）的过程中，投票的权重与持币量成正比例，得票最多的n个节点将成为见证人，按既定时间表轮流记账并产生区块。每当生成一个区块，见证人都将收到等同于一个平均水平的区块所含交易费的m%作为报酬，m的值由选民选出的代表们（delegate）设定。代表们的产生与见证人类似，有权提议更改系统参数，例如见证人的报酬率，并由选民投票批准提议。在系统运作中，如果见证人未及时生成区块或者恶篡改区块，可能导致其他选民节点收回选票转投其他节点，从而导致自己失去作为见证人的权利。采用DPoS机制的区块链系统将长达10min的区块生成时间降低到秒级，可以实现快速共识验证，同时避免能源浪费和通过矿池算力叠加造成中心化的风险[17]。

然而现有的DPoS算法还存在一些不足。选举见证人节点需要投票过程，存在着选民节点投票积极性不高、每一轮投票周期过长等问题，從而导致不负责任的见证人节点无法及时被剔除，给DPoS的进一步发展带来了不小的阻碍。

针对DPoS存在的问题，张永等[18]采用基于信任奖惩和投票结果选择优化两个核心方案实现快速剔除异常节点以提高系统安全性，在一定程度上防止了异常节点对系统的破坏，但没有讨论在两轮投票周期之间如何保障系统安全，也没有讨论在剔除异常节点后对空缺位置的善后工作;EOS（Enterprise Operation System请补充EOS的英文全称）在DPoS的基础上混合了拜占庭容错（Byzantine Fault Tolerance， BFT）协议，通过引入异步拜占庭容错协议（asynchronous Byzantine Fault Tolerance， aBFT）加快区块实现不可逆转，并采取降低见证人节点数量和连续出块的方式提高出块效率[19]，但削减见证人数量以及连续出块可能导致系统中心化程度大幅度加强，这显然不是区块链的初衷。

本文提出一种基于熔断机制、信用机制与备用见证人节点机制的DPoS共识算法改进方案解决上述问题，并加以实验验证。

2.1 熔断机制

熔断机制是改进方案为了加快剔除作恶节点的一种手段。传统DPoS共识机制中见证人节点由选民节点投票选举产生，但选民节点只能对自己信任的节点投支持票来提供竞选优势，却无法对不信任的节点投反对票来加速其剔除效率，并且每轮选举之间间隔过长，即使出现了公认的作恶节点也无法及时通过投票来撤销其见证权，造成作恶节点剔除不及时的问题。改进方案中引入了熔断机制，为各节点提供了实时投反对票的功能，当某节点的反对率达到一定的阈值时，会立即触发“熔断机制”，系统强制撤销某节点作为见证人的权利，强制节点降级，无需等待下一轮选举开始，减少对网络的破坏可能性。熔断机制设定当该节点反对票达到某个阈值时，即触发熔断。阈值计算式为：

其中：C为熔断系数，可以根据系统业务以及特征设定C的值，通常取值范围在（0，0.5]区间，对于比较重视反对票的场景可将熔断系数适当调小。熔断机制具体算法如下：

当选民节点对某见证人节点投出反对票并广播至全网后，系统开始检查该见证人节点的反对率，如果见证人节点的反对票数达到了熔断阈值，则该节点降级为普通节点，撤销其权利;如果反对票数还未达到熔断阈值，则系统继续监听之后票数变化，直到触发“熔断机制”或下一轮选举生效。熔断机制流程描述如图1所示。

2.2 信用机制

针对见证人节点持续生成无效区块、篡改区块信息或进行其他作恶行为，改进方案提出信用分数与等级、信用等级升降、信用系数等概念，为每个节点设定了信用等级作为节点的基本属性，信用将影响节点最终得票结果，从而提高作恶节点成为见证人节点的难度，并提供奖励机制提高节点的投票积极性。下面对信用机制进行详细介绍。

2.2.1 信用分数与等级

DPoS中的区块是由见证人节点产生和验证的，改进方案为了有效监控见证人的行为，防止见证人持续产生无效区块或其他作恶行为，给每个见证人节点设置一个信用等级作为标识。改进方案将信用等级分别定义成A、B、C、D四个等级。信用等级的具体量化方式是通过信用分数计算。信用分数为百分制，节点初始信用分数为50分。各信用等级对应的含义如下：

1）A级信用。节点在行使见证人权利过程当中表现优异，信用分数区间处于[90，100]。

2）B级信用。节点成为见证人的时间较短，尚无作恶行为，信用分数区间处于[50，90）。

3）C级信用。节点在行使见证人权利过程当中存在少量作恶行为，信用分数区间处于[25，50）。

4）D级信用。节点在行使见证人权利过程当中存在大量作恶行为，信用分数区间处于[0，25）。

每当见证人节点成功生成、验证一个区块后，会收到系统奖励数量为1点的信用分数;若存在篡改区块信息、未能成功生成区块等行为，系统每次都会扣除20点信用分数。信用等级是评价见证人是否为作恶节点的依据，为了让节点在投票选举时尽量选择高信用的节点作为见证人，同时避免选择恶意节点作为见证人，在进行投票选举时，系统将给予节点投票目标的信用等级提示。

2.2.2 信用等级升降

信用等级升降指见证人节点信用等级的升级或降级，主要与该见证人节点生成、验证区块次数和有效性有关。当节点被选举为见证人节点时，其初始化信用等级为B级，信用分数为50分，系统再根据该节点行使见证权的记录来调整其信用等级。当见证人节点的记录非常良好，持续按照预期状况生成、验证区块，在信用分数逐渐上升至90分以上时，系统会将该节点的信用等级标记为A级，使其在后续选举竞争中获得一定优势;若节点记录存在生成、验证无效区块的或其他作恶行为，信用分数逐渐下降到50分以下时，系统则标记该节点的信用等级为C级，使其在后续节点选举中处于劣势;若该节点持续生成无效区块或者作恶，信用分数持续下降至25分以下，则会被系统标记为D级信用等级，在后续选举中将处于绝对劣势，几乎没有再当选见证人的可能性。见证人信用的信用升降过程可用图2来表示。

2.2.3 信用系数

信用系数是改进方案里计算节点在选举时获得最终票数的公式中的计算参数，是信用等级的一种表现形式。为保障高信用等级的见证人拥有更大的选举优势，改进方案基于信用等级引入信用系数，其在一定程度上左右节点的最终票数。最终票数计算式如下：

其中：α和β是根据节点信用等级产生的系数，通常满足α+β=1。具体数值可根据业务特征由代表们设置并由选民节点投票决定，通常A级节点α大于0.75， β小于0.25;B级节点α和β皆为0.5;C级节点α小于0.5， β大于0.5;D级节点α小于0.25， β大于0.75。通过该算法，信用等级较低的节点想成为见证人节点需要更多的票数，而高信用的节点只需要少量的票数，从而提高作恶节点被撤销见证人权利的效率。具体算法如算法2所示。

2.2.4 激励机制

激励机制是为了提高选民节点投票积极性而设计的一种基于信用等级和反对票的奖惩方案。原始DPoS机制中选民节点投票意识不强，参与投票的节点数量在总节点数量中占比过少，导致恶意节点可能通过相互串通刷选票而继续持有见证权的隐患。

为促进选民节点的投票积极性，本文提出一种投票激励方案：当某个见证人节点处于C级或D级信用等级时，如果存在选民节点对其投反对票，并且熔断机制触发或在该轮投票选举结束时系统依据投票结果成功地将该低信用等级的节点踢出见证人行列，那么对其投反对票的选民节点可以得到一定的信用分数奖励。若选民节点在某轮投票选举中未进行投票操作，则会扣除一定信用分数，直至信用分数到达50分的初始状态。选民节点通过正确行使投票权为自己赢得信用分数，使得自己在未来投票选举中作为被选举方时获得一定优势，增大自身节点日后成为见证人的可能性。借助这种基于信用分数的激励机制以达到改善原有DPoS机制选民节点投票积极性不佳的状况，增强系统的安全性。激励机制流程如图3描述所示。

2.3 备用见证人节点

备用见证人节点是改进方案为保障在采用上述熔断机制和信用机制后，避免系统因为见证人节点数量不足造成安全风险而引入的。依据上述熔断机制和信用机制的相关算法，系统会按一定规则将作恶节点迅速踢出，防止作恶节点对系统造成进一步的破坏，但是如果在作恶节点被踢出后致使见证人数量不足，可能会造成参与验证区块的见证人节点总数量过少，从而导致系统安全性的减弱。每轮选举周期间隔过长也会导致代理空缺无法及时填补。

为解决上述问题，改进方案引入了备用见证人节点的概念，系统在每轮选举后会统计出票数最多的前n+m个节点，其中前n个节点成为正式见证人节点，第n+1到第n+m个节点成为备用见证人节点。当某个正式见证人节点被踢出后，系统会立刻从备用见证人节点中，将得票数最高的节点升级为正式见证人节点，保持系统的稳定性和安全性。选举备用见证人节点的具体算法如算法3所示。

每一轮选举都会重新填满正式见证人列表和备用见证人列表，以维持系统的正常运转。在系统运转过程中，会按照得票高低顺序随时顶替被踢出见证权的节点的位置。具体算法如算法4所示。

3 实验验证及分析

本文采用以太坊为基础架构，实验环境搭建在拥有12個节点的测试链上，包含3个见证人节点，将共识机制替换为文中基于DPoS的改进共识算法，改进后的DPoS体系如图4所示。通过实验对比改进共识机制前后系统运行结果，检验文中的改进算法提出的熔断机制、信用机制、备用见证人节点能否高效踢出作恶节点，并保障系统既有的稳定性不受影响。

3.1 信用机制验证

信用机制验证主要测试当系统引入信用机制后，信用等级较低的节点成为见证人的概率是否显著降低。实验具体设计为：各节点信用分数初始化为50分，即信用等级皆为B级，先通过一轮投票选举并统计出各节点的票数得到见证人节点，然后令其中一个见证人节点在后续区块生成中生成无效区块，使其信用等级逐渐下降，其余的见证人保持正常生成区块，使其信用等级逐渐上升，期间进行重复多轮投票实验，并统计分析结果。系统经过第一轮投票，最终结果如表1所示。

根据投票结果，票数最高的前三个节点成为见证人节点。为验证信用等级对投票结果造成的影响，现令公钥为“2e8129daa723ee3e110d24158622b752e02fa191f75899ccc13fbd4cd”的见证人节点产生若干无效区块，信用等级逐渐下降成为异常见证人，另外两名见证人节点正常生成区块，信用等级逐渐上升成为良好见证人，然后进行50轮投票，观察两类节点的最终得票数，并根据实验结果，绘制出票数对比折线，如图5所示。

可由投票结果折线分析，最初异常节点尚未生成无效区块时，信用等级尚未发生改变，影响最终票数结果的信用系数与其他节点没有分别，因此三节点最初得票结果相差无几。随着异常节点生成无效区块数量逐渐增多，信用分数逐步下降从而影响到信用等级，造成计算最终票数时的信用系数发生改变，异常节点的得票最终结果逐渐与另外两名良好节点拉开差距，最终良好节点的票数完全压制异常节点。实验结果表明改进方案引入的信用机制显著降低异常节点成为见证人的概率，可以提高剔除异常节点的速度。

3.2 熔断机制验证

熔断机制验证主要测试当见证人节点的反对票数达到熔断机制设定的熔断阈值时，系统能否迅速撤销该节点的见证权。熔断阈值计算公式中的熔断系数取值为0.3。实验验证中针对见证人节点A，逐步令其他节点向其投反对票，并设立对照节点。记录实验过程中见证人节点A与对照节点的反对票变化，并观察见证权归属。实验结果如表2所示。

由表2分析得出，最初节点A与对照节点都是见证人节点，节点A的支持票维持8票，对照节点的支持票数维持10票，对节点A与对照节点的反对票数从0逐步增加到4票时，依照票数、熔断系数与熔断阈值的关系，节点A的反对票突破熔断阈值，导致熔断机制触发，节点A的见证权被撤销。此时对照节点的总票数为14票，反对票数占4票，尚未突破熔断阈值，因此对照节点的见证权得以继续保留。

3.3 备用见证人机制验证

备用见证人机制的实验验证主要测试在异常节点因熔断机制或信用机制被剔除后，系统能否及时填补见证人空缺。实验环境设置备用见证人节点的数量为3，通过一轮投票后分别选出3个见证人节点ABC和3个备用见证人节点DEF，接着利用上文中的熔断机制依次撤销节点ABC的见证权，期间观察并记录节点见证权的归属。实验结果如表3所示。

由表3实验记录分析得出，见证人节点ABC依次被解除见证权的期间，系统会在原有见证人被剔除时立刻从备用见证人节点列表中获得节点并替补见证人节点的空缺，维持该区块链系统中见证人节点的数量，确保系统不会因为见证人节点数量减少导致下轮选举之前去中心化程度降低，进而保障了区块生成验证过程的安全性。

4 改进方案与现有DPoS方案对比

DPoS共识机制自2014年诞生以来，有不少学者和工程师对其提出了改进方案。其中最为有名的是DPoS创始人Daniel Larimer开发的EOS项目。EOS体系中提出了BFT-DPoS共识机制，混合了两种主流共识机制方案，利用异步拜占庭容错（asynchronous Byzantine Fault Tolerance， aBFT）机制使得某见证人在生成区块时能快速通知所有见证人来签名确认区块，加快区块链的不可逆转性，但由于aBFT在部分情况存在效率低下的问题[20]，EOS将见证人节点数量降低为21，并且在记账时采用每个见证人连续生成12个区块的方式来提高区块产生效率，如图6所示。

EOS通过上述方法提高了区块的确认效率，区块生成时间平均0.5s，全网验证时间平均1s，但是由于大量降低见证人节点数量，导致去中心化程度和安全性遭到严重削弱，存在见证人节点之间共同串通而损害整个社区利益的风险。另外见证人连续出块的方式虽然可以极大提高系统性能，但是不同地区存在网络延迟或其他意外问题，即使见证人节点之间按照网络延时的近似度来协商相邻出块，在极端恶劣情况下依然存在前一位见证人所生成的最后一两个区块被后一位见证人忽略而导致分叉的风险。

本文提出的改进方案，通过熔断机制使系统在面临见证人节点连续失职時，能迅速作出反应解除其见证权;再加上信用机制对节点信用分数的动态调整，在信用机制的50轮投票实验验证中，经过开始10余轮的投票后作恶节点的最终票数就被彻底拉开差距，使作恶节点很难再“翻身”;备用见证人机制使系统“预选举”出若干节点，若是在正常选举周期之间触发了熔断或是信用机制，不至于缺少见证人而使系统瘫痪。虽然在系统运转中引入熔断检验和监控信用的机制后，在一定程度上会降低打包、生成、验证区块的效率;但是在面临恶意节点的攻击时能及时反应，保障了安全性和去中心化程度。

5 结语

区块链技术的发展离不开对其应用模式的拓宽和探索[21]，然而一种共识机制并不能满足所有的应用场景。本文针对DPoS共识机制不能及时剔除作恶节点的缺点，提出了基于熔断、信用和备用见证人节点的方案，并通过实验验证了根据上述方案改进后的可行性，提供了一种基于DPoS共识机制改进思路。改进后的DPoS共识机制在提高系统安全性的同时，依然保障了去中心化程度。未来工作还将进一步优化算法细节，提高算法效率，并探索共识算法在具体应用场景的使用，为区块链在其他领域的应用模式研究提供基础。

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